曹春玲，李夢(mèng)雨，張娜齊

(西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

煤炭企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，輔助運(yùn)輸環(huán)節(jié)是保障企業(yè)正常運(yùn)作必不可少的環(huán)節(jié)[1]。一套完整的輔助運(yùn)輸車(chē)輛調(diào)度系統(tǒng)是井下車(chē)輛高效安全運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵所在[2]。井下車(chē)輛調(diào)度系統(tǒng)作為一類(lèi)典型的離散時(shí)間動(dòng)態(tài)系統(tǒng)[3]，如何構(gòu)建一個(gè)仿真模型來(lái)模擬井下車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行過(guò)程以事先驗(yàn)證調(diào)度策略的正確性、安全性及高效性，并對(duì)調(diào)度系統(tǒng)基本性能作預(yù)測(cè)分析，是井下車(chē)輛運(yùn)輸管理的重要目標(biāo)。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)井下車(chē)輛調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行了研究。陸陽(yáng)等[4]利用CPN (colored Petri net)tools對(duì)煤礦機(jī)車(chē)運(yùn)輸調(diào)度系統(tǒng)建立了層次顏色Petri網(wǎng)模型(hierarchical colored Petri net, HCPN)，并基于此模型對(duì)調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行了性質(zhì)研究。李國(guó)強(qiáng)等[5]提出一種進(jìn)路式聯(lián)鎖調(diào)度算法模型，并對(duì)其正確性和可靠性進(jìn)行證明。Gu 等[6]基于自適應(yīng)蟻群算法對(duì)地下礦井車(chē)輛調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行研究。但這些研究大多針對(duì)礦井有軌車(chē)輛調(diào)度系統(tǒng)，無(wú)法應(yīng)用于現(xiàn)階段煤礦廣泛使用的無(wú)軌車(chē)輛的運(yùn)輸與調(diào)度[7-8]。

本文以有軌車(chē)輛的運(yùn)輸調(diào)度策略為基礎(chǔ)，提出一種新的適用于無(wú)軌運(yùn)輸車(chē)輛的調(diào)度策略，并利用層次顏色Petri網(wǎng)[9-12]對(duì)其進(jìn)行建模，以期對(duì)調(diào)度系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)作出分析，為井下車(chē)輛調(diào)度管理提供便利，為企業(yè)提質(zhì)增效作出貢獻(xiàn)[13]。

1 車(chē)輛調(diào)度策略及調(diào)度規(guī)則

為提高井下輔助運(yùn)輸車(chē)輛運(yùn)輸效率，更好地掌握車(chē)輛動(dòng)態(tài)運(yùn)輸行為，減少事故的發(fā)生，提出一種新的調(diào)度策略，表述如下。將井下運(yùn)輸路線(xiàn)分為若干小區(qū)段，車(chē)輛在接到運(yùn)輸任務(wù)后，調(diào)度系統(tǒng)為其規(guī)劃運(yùn)輸路線(xiàn)及運(yùn)輸路線(xiàn)包含的所有區(qū)段。車(chē)輛在行駛過(guò)程中進(jìn)入一個(gè)區(qū)段時(shí)，系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前區(qū)段進(jìn)行鎖定，并對(duì)運(yùn)輸路線(xiàn)所包含的下一個(gè)區(qū)段發(fā)出預(yù)占用申請(qǐng)；當(dāng)預(yù)占用申請(qǐng)滿(mǎn)足時(shí)，為其分配下一區(qū)段，車(chē)輛進(jìn)入下一區(qū)段后解除當(dāng)前區(qū)段的鎖定[14]。

車(chē)輛的調(diào)度規(guī)則[15]如下。1) 占用申請(qǐng)：當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入某個(gè)區(qū)段運(yùn)行時(shí)，調(diào)度系統(tǒng)為其申請(qǐng)下一個(gè)區(qū)段；2) 主機(jī)聯(lián)鎖運(yùn)算：當(dāng)下一區(qū)段的占用申請(qǐng)抵達(dá)主機(jī)時(shí)，主機(jī)根據(jù)區(qū)段內(nèi)有無(wú)其他車(chē)輛運(yùn)行來(lái)判斷該申請(qǐng)是否可以被滿(mǎn)足；3) 占用申請(qǐng)滿(mǎn)足：當(dāng)下一區(qū)段道路情況滿(mǎn)足運(yùn)行條件時(shí)，系統(tǒng)同意占用申請(qǐng)并對(duì)相應(yīng)的信號(hào)燈進(jìn)行操作；4) 車(chē)輛異常運(yùn)行情況的處理：當(dāng)車(chē)輛發(fā)生諸如闖紅燈、超車(chē)或運(yùn)行路線(xiàn)錯(cuò)誤等異常狀況時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)變更區(qū)段信號(hào)燈并發(fā)出報(bào)警信號(hào)以阻止車(chē)輛繼續(xù)運(yùn)行直至故障解除。

2 調(diào)度系統(tǒng)的HCPN模型

為了更清楚地描述車(chē)輛在該調(diào)度策略下的運(yùn)行過(guò)程并對(duì)調(diào)度系統(tǒng)的性能作出詳細(xì)分析，采用層次顏色Petri網(wǎng)對(duì)該調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行建模，模型主要描述車(chē)輛的裝載和卸載的調(diào)度、車(chē)輛在行進(jìn)過(guò)程中的調(diào)度以及運(yùn)輸任務(wù)的產(chǎn)生過(guò)程。

2.1 模型基本假定

假定在調(diào)度系統(tǒng)中，滿(mǎn)足以下條件：1) 每輛車(chē)在煤礦井上和井下之間運(yùn)行；2) 車(chē)輛遵守“入井車(chē)輛讓行升井車(chē)輛”的原則在井下會(huì)車(chē)；3) 車(chē)輛的類(lèi)型分為升井車(chē)輛(類(lèi)型為X)和入井車(chē)輛(類(lèi)型為Y)；4) 輔助運(yùn)輸?shù)缆泛托盘?hào)燈的設(shè)計(jì)符合規(guī)范；5) 每輛車(chē)的運(yùn)輸容量是固定且相同的；6) 模型的時(shí)間以min為單位；7) 模型的運(yùn)行過(guò)程中只考慮時(shí)間代價(jià)；8) 每個(gè)區(qū)段有且僅有一個(gè)標(biāo)識(shí)可被申請(qǐng)。

2.2 模型的顏色類(lèi)型

建模過(guò)程中使用到的模型顏色集及變量說(shuō)明如表1所示。

表1 模型的顏色集Table1 Color sets in model

建模過(guò)程中使用了3種時(shí)間函數(shù)，均服從指數(shù)分布，函數(shù)聲明如表2所示。3種函數(shù)分別表示車(chē)輛裝載貨物所需的時(shí)間、車(chē)輛經(jīng)過(guò)每個(gè)區(qū)段所需的時(shí)間和任務(wù)點(diǎn)產(chǎn)生運(yùn)輸任務(wù)所需的時(shí)間。另外，模型運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)可任意取值，在本次模擬中取24 h。

表2 模型的函數(shù)Table2 Functions in model

2.3 模型在CPN Tools的仿真圖

圖1～3是HCPN模型加上顏色集、弧函數(shù)以及初始托肯等之后的仿真圖。表3～4所示為圖中庫(kù)所和變遷的含義說(shuō)明。

表3 模型庫(kù)所說(shuō)明Table3 Description of the model place

圖1 整體模型框架Figure1 Framework of whole model

圖1為整體模型框架，分別描述車(chē)輛在井上和任務(wù)點(diǎn)之間的調(diào)度過(guò)程，2個(gè)替代變遷task和replace分別表示各任務(wù)點(diǎn)的任務(wù)產(chǎn)生子模型和車(chē)輛運(yùn)輸調(diào)度子模型。圖2為車(chē)輛的運(yùn)輸調(diào)度模型。車(chē)輛在行進(jìn)的過(guò)程中遵守入井車(chē)輛讓升井車(chē)輛先行的會(huì)車(chē)原則進(jìn)行區(qū)段的申請(qǐng)及占用。入井車(chē)輛完成當(dāng)前任務(wù)包含的所有區(qū)段后返回至頂層模型，得到升井路線(xiàn)后繼續(xù)運(yùn)行直至完成運(yùn)輸任務(wù)。如此往返，可保證井下輔助調(diào)度運(yùn)輸系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈的管理，模型假定井下每個(gè)區(qū)段都設(shè)有信號(hào)燈，并將區(qū)段申請(qǐng)成功標(biāo)志與信號(hào)燈的顏色聯(lián)系起來(lái)，車(chē)輛成功申請(qǐng)區(qū)段后信號(hào)燈顯示為綠色，其余時(shí)間均為紅色。由統(tǒng)計(jì)規(guī)律可得，車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生意外情況的概率服從隨機(jī)分布，本次建模過(guò)程中假定此概率取值為0.05%。當(dāng)車(chē)輛在某個(gè)區(qū)段發(fā)生意外情況時(shí)，調(diào)度系統(tǒng)會(huì)強(qiáng)制變更該區(qū)段信號(hào)燈的顏色并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，調(diào)度員收到報(bào)警信號(hào)后，可以手動(dòng)調(diào)度發(fā)生意外情況的車(chē)輛，以解除故障使調(diào)度系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。圖3表示任務(wù)產(chǎn)生模型，產(chǎn)生的任務(wù)以隊(duì)列的形式存儲(chǔ)。

圖2 車(chē)輛的運(yùn)輸調(diào)度模型Figure2 Vehicle transportation scheduling model

圖3 任務(wù)產(chǎn)生模型Figure3 Task generation model

表4 模型變遷說(shuō)明Table4 Description of the model transition

2.4 模型所需的初始數(shù)據(jù)

模型需要的初始化數(shù)據(jù)如下：

1) 庫(kù)所car_inf，表示車(chē)輛基本信息；

2) 庫(kù)所section_inf，表示每條運(yùn)輸路線(xiàn)包含的所有區(qū)段；

3) 庫(kù)所section，表示所有區(qū)段的信息；

4) 任務(wù)產(chǎn)生時(shí)間、區(qū)段通過(guò)時(shí)間及車(chē)輛調(diào)度時(shí)間分別為tasktime、passtime和scheduletime。

3 調(diào)度模型的性能分析

以圖4所示的Z煤礦輔助運(yùn)輸路線(xiàn)簡(jiǎn)圖為例，在CPN tools中對(duì)調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，并利用模型輸出的狀態(tài)空間報(bào)告對(duì)調(diào)度系統(tǒng)作性能分析。圖中1～42代表區(qū)段編號(hào)，A、B、C、D為4個(gè)任務(wù)點(diǎn)的編號(hào)，42201、42202、42203、42114為井下各工作面的編號(hào)。表5為按任務(wù)點(diǎn)類(lèi)型設(shè)定的4類(lèi)車(chē)輛運(yùn)輸任務(wù)表。在模型的實(shí)際應(yīng)用中，可以把每個(gè)區(qū)段均設(shè)置為任務(wù)點(diǎn)，并為其規(guī)劃路線(xiàn)輸入至模型內(nèi)保存，可有效應(yīng)對(duì)隨機(jī)任務(wù)的產(chǎn)生，為決策者規(guī)劃運(yùn)輸任務(wù)提供便利。

圖4 Z煤礦輔助運(yùn)輸車(chē)輛路線(xiàn)簡(jiǎn)圖Figure4 Z coal mine auxiliary transportation vehicle route diagram

表5 Z煤礦輔助運(yùn)輸車(chē)輛運(yùn)行路線(xiàn)區(qū)段設(shè)置Table5 Z coal mine auxiliary transportation vehicle operation route section setting

3.1 調(diào)度系統(tǒng)模型的安全性分析

從模型仿真圖可以看出，車(chē)輛整個(gè)運(yùn)行過(guò)程都在調(diào)度系統(tǒng)的監(jiān)控之下，即使有車(chē)輛發(fā)生闖紅燈或者誤入錯(cuò)誤區(qū)段等意外情況，庫(kù)所alarm也會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)使錯(cuò)誤車(chē)輛依舊在監(jiān)控范圍內(nèi)。所以，無(wú)論是正確行車(chē)還是錯(cuò)誤行車(chē)，系統(tǒng)都能檢測(cè)到相應(yīng)的車(chē)輛狀態(tài)，由此可以證明車(chē)輛的調(diào)度系統(tǒng)是安全的。

3.2 調(diào)度系統(tǒng)模型的正確性分析

車(chē)輛在調(diào)度系統(tǒng)模型中運(yùn)行時(shí)會(huì)對(duì)模型中的各個(gè)初始標(biāo)識(shí)進(jìn)行申請(qǐng)及占用，且能在使用完成后正確地將標(biāo)識(shí)歸還至對(duì)應(yīng)庫(kù)所。同時(shí)，調(diào)度員也可以通過(guò)手動(dòng)修改庫(kù)所alarm的標(biāo)識(shí)來(lái)解決車(chē)輛發(fā)生意外情況的問(wèn)題，使系統(tǒng)中的車(chē)輛保持正常運(yùn)行。此外，模型的實(shí)際模擬運(yùn)行過(guò)程及運(yùn)行后生成的狀態(tài)空間報(bào)告均可對(duì)調(diào)度系統(tǒng)的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。由此可以說(shuō)明車(chē)輛的調(diào)度系統(tǒng)是正確的。

3.3 調(diào)度系統(tǒng)的可重用性分析

車(chē)輛的調(diào)度策略以車(chē)輛的狀態(tài)變化為基礎(chǔ)，所以調(diào)度系統(tǒng)模型只與調(diào)度策略有關(guān)，而與井下輔助運(yùn)輸線(xiàn)路圖、車(chē)輛數(shù)量、任務(wù)點(diǎn)的位置以及運(yùn)輸任務(wù)產(chǎn)生的速度等無(wú)關(guān)，所以當(dāng)上述因素改變時(shí)，建立的調(diào)度系統(tǒng)HCPN模型無(wú)需作任何變化，而只需要將模型的初始標(biāo)識(shí)進(jìn)行改動(dòng)即可。

3.4 調(diào)度系統(tǒng)模型的性能分析及評(píng)價(jià)

以24 h作為模擬長(zhǎng)度，對(duì)上述調(diào)度系統(tǒng)HCPN模型進(jìn)行性能分析，主要包括以下內(nèi)容。

1) 調(diào)度系統(tǒng)運(yùn)輸量分析。調(diào)度系統(tǒng)模型運(yùn)行過(guò)程中庫(kù)所output的標(biāo)識(shí)圖信息反映了車(chē)輛完成運(yùn)輸任務(wù)的次數(shù)。此次模擬結(jié)束后該庫(kù)所有35個(gè)最終標(biāo)識(shí)，即該調(diào)度系統(tǒng)中的所有車(chē)輛一天可完成35次運(yùn)輸任務(wù)。

2) 區(qū)段使用頻度及時(shí)間分布的分析。調(diào)度系統(tǒng)模型運(yùn)行過(guò)程中庫(kù)所leave_inf的標(biāo)識(shí)圖信息反映了車(chē)輛每次經(jīng)過(guò)某區(qū)段的時(shí)間信息，如圖5所示。從圖5可以看出，車(chē)輛到達(dá)區(qū)段1～18的次數(shù)最多，分布最密集，使用時(shí)存在車(chē)輛申請(qǐng)沖突的可能性最大。

圖5 區(qū)段的使用頻率Figure5 Frequency of use of sections

3) 車(chē)輛運(yùn)輸速度與運(yùn)輸任務(wù)產(chǎn)生速度的匹配程度分析。利用調(diào)度系統(tǒng)模型運(yùn)行過(guò)程中庫(kù)所wait_inf的標(biāo)識(shí)圖信息可以計(jì)算車(chē)輛在調(diào)度過(guò)程中的等待時(shí)間，用waittime表示車(chē)輛等待時(shí)間并定義waittime =#2taskpointtime?z3。當(dāng)waittime＞0說(shuō)明任務(wù)的生成速度慢于車(chē)輛的運(yùn)輸速度；waittime = 0說(shuō)明任務(wù)的生成速度與車(chē)輛的運(yùn)輸速度基本匹配；waittime＜0說(shuō)明任務(wù)的生成速度快于車(chē)輛運(yùn)輸速度。調(diào)度員可通過(guò)調(diào)節(jié)車(chē)輛數(shù)量和運(yùn)輸任務(wù)的生成速度使兩者匹配以達(dá)到提升效率的目的。

模型運(yùn)行1 440個(gè)單位時(shí)間后，車(chē)輛在每個(gè)任務(wù)點(diǎn)的等待時(shí)間分布如圖6所示。從圖中可以看出A、B、C、D 4個(gè)任務(wù)點(diǎn)車(chē)輛等待時(shí)間的具體分布信息。A點(diǎn)負(fù)值略多，說(shuō)明車(chē)輛運(yùn)輸速度稍慢于任務(wù)生成速度；而B(niǎo)、C、D任務(wù)點(diǎn)均為正值，說(shuō)明車(chē)輛運(yùn)輸速度快于任務(wù)生成速度。運(yùn)輸任務(wù)的生成速度和車(chē)輛的運(yùn)輸速度的匹配性分析還可以通過(guò)任務(wù)產(chǎn)生子模型的狀態(tài)標(biāo)識(shí)圖得到反映。模型運(yùn)行結(jié)束后，子模型的剩余標(biāo)識(shí)如表6所示。A任務(wù)點(diǎn)還剩下兩個(gè)未運(yùn)行的任務(wù)，而B(niǎo)、C、D任務(wù)點(diǎn)均無(wú)剩余，從而驗(yàn)證了A任務(wù)點(diǎn)的車(chē)輛運(yùn)輸速度低于任務(wù)生成速度，B、C、D任務(wù)點(diǎn)的運(yùn)輸速度快于任務(wù)生成速度的結(jié)論。

圖6 車(chē)輛在任務(wù)點(diǎn)的等待時(shí)間Figure6 Vehicle waiting time at the task point

表6 模擬結(jié)束后剩余的運(yùn)輸量Table6 The remaining transportation volume after the simulation

4 結(jié)論

本文提出一種適用于井下無(wú)軌輔助運(yùn)輸車(chē)輛的新型調(diào)度策略，利用CPN tools的分層建模工具建立了基于此調(diào)度策略的調(diào)度系統(tǒng)仿真模型。通過(guò)研究模型運(yùn)行過(guò)程及運(yùn)行結(jié)束后輸出的狀態(tài)空間報(bào)告對(duì)調(diào)度系統(tǒng)模型的安全性、正確性及可重用性進(jìn)行了證明，同時(shí)得出了該調(diào)度系統(tǒng)模型的基本性能。研究結(jié)果表明，該模型適用于煤礦井下無(wú)軌運(yùn)輸車(chē)輛的調(diào)度，應(yīng)用過(guò)程中可有效應(yīng)對(duì)隨機(jī)運(yùn)輸任務(wù)的產(chǎn)生，提高礦井無(wú)軌運(yùn)輸車(chē)輛的運(yùn)輸安全性，同時(shí)可以輔助管理決策者制定生產(chǎn)計(jì)劃，提高企業(yè)整體經(jīng)濟(jì)收益。

今后的研究中，可以考慮加入除時(shí)間以外的其他代價(jià)函數(shù)以豐富模型結(jié)構(gòu)，對(duì)調(diào)度系統(tǒng)作更多層次的性能分析。